石墨是商用鋰離子電池的關鍵負極材料，也是最常見的二維材料。鋰離子嵌入石墨會形成一系列階結構，階的微觀結構決定著石墨嵌入化合物的物理化學性質。然而它的微觀圖像及其形成和轉變動力學并不清晰，這限制了準確預測石墨嵌入化合物相關性質與性能，也阻礙了石墨在不同工況下的實際應用，比如快速充電。目前，研究人員主要提出了兩種模型（Rüdorff-Hofmann和Daumas-Hérold模型）來描述石墨嵌鋰形成的階結構及其演變（圖1a-b）。這兩種模型顯示出相同的長程有序結構，而具有不同的短程結構。揭示階結構的微觀真實面紗需要借助對納米或者原子結構敏感的表征技術，如透射電子顯微鏡（TEM）。由于石墨材料對輻照敏感，常規TEM難以得到石墨及其嵌入化合物的真實納米或者原子結構。

　　近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心特聘研究員王雪鋒、研究員王兆翔和副研究員肖睿娟等利用冷凍透射電子顯微鏡（cryo-TEM）和其他表征技術以及理論計算與模擬在納米尺度上揭示了鋰離子嵌入石墨后形成階結構的特征及其演變機制。

　　結果發現，鋰離子不均勻地嵌入石墨層間，產生局域應力，導致石墨結構發生扭曲變形，形成位錯。不同階結構之間的轉變是通過鋰離子擴散以及位錯的移動、相互作用和轉換實現的。每種階結構鋰化石墨在宏觀上是均勻的（具有特征的平均晶面間距和衍射花樣的長程有序排列），但在微觀上是不均勻的（由不同的階結構和位錯組成）。基于此，該團隊提出局域疇結構模型（Localized-domains model，圖1c）來描述石墨嵌鋰過程中的結構演變。該研究結果聯結了鋰化石墨中的長程有序結構和局域結構，更新了人們對階結構及其演變的認識，提出通過缺陷工程改善石墨嵌鋰動力學并有望應用于快充電池。

　　相關成果以Localized-Domains Staging Structure and Evolution in Lithiated Graphite為題發表在Carbon Energy上。上述研究工作得到國家自然科學基金委和北京市自然科學基金的資助。

　　論文鏈接 

　　圖1 不同石墨嵌鋰結構模型示意圖

　　圖2 電化學鋰化過程中石墨長程結構的演變。（a）原位XRD；（b）鋰化過程中石墨的電壓曲線（電流密度為20 mA g^-1）。

　　圖3 鋰化石墨局域結構的演變。不同階石墨嵌鋰化合物的iFFT圖像（a-h）及缺陷分數統計（i）。

　　圖4 鋰化石墨中缺陷的類型及其演變。（a）缺陷示意圖及其對應的iFFT圖像和應力分布；不同階石墨嵌鋰化合物中的缺陷類型演變（b）及應力分布（c-g）。

　　圖5 鋰化石墨中的長程結構和短程結構。不同階石墨嵌鋰化合物的iFFT圖像（a-d）及其中的短程結構（e-h）和平均晶面間距（i-l）。

　　圖6 Ⅲ階石墨（LiC₁₈）中三種不同缺陷的結構演變。三種初始（a-c）及弛豫后（d-f）的具有不同缺陷的LiC₁₈結構；（g-i）三種結構中鋰離子的擴散路徑；（j-l）（e）中結構隨著時間的演變。